天津大学发现解耦电解质方法可大大提高锌锰电池性能

天津大学发现解耦电解质方法可大大提高锌锰电池性能

全球对可充电电池的需求在过去10年左右呈指数级增长,因为它们需要为智能手机、笔记本电脑、平板电脑、智能手表和健身器等越来越多的便携式电子设备提供动力(www.bei5.cn)。为了更有效地工作,可充电电池应该具有较高的能量密度,同时也应该是安全、稳定和环保的。

虽然锂离子电池是目前最广泛使用的可充电储能系统之一,但它们含有易挥发的有机电解质,这大大降低了它们的安全性。

最有希望替代锂电池的是基于不易燃和低成本的水基电解质的电池,如铅酸电池和锌锰电池。这些电池有许多优点,包括安全性更高、生产成本更低。然而,到目前为止,它们的性能、工作电压和可充电性与锂电池相比都有一定的局限性。

天津大学高级陶瓷与加工技术教育部重点实验室、天津复合材料与功能材料重点实验室的研究人员最近提出了一种新的设计策略,可以提高锌锰氧化物(Zn——MnO2)电池的性能。他们在《自然能源》杂志上发表的一篇论文中提出的方法,是将电池内部的电解质解耦,从而在锌和二氧化锰电极上实现氧化还原化学反应。

研究人员之一钟教授(音译)表示:“我们的论文是在无意中完成的,当我们用新电沉积的MnO2组装碱性锌锰电池时,MnO2表面有一些残留的H2SO4。组装的电池比传统的Zn——MnO2电池显示出更高的放电电压,这鼓励我们把东西剥离到基本的东西,为我们的研究奠定基础。”

钟教授团队发现,他们的解耦电解质策略可以使开路电压为2.83 V的Zn——MnO2电池性能更好。考虑到更传统的Zn——MnO2电池的电压通常为1.5V,这结果相当有前途。

使用他们的电解解耦策略制造的电池,在连续使用和充电200小时后,电池容量仅下降了2%。此外,在各种放电电流密度下,电池仍能保持100%的容量。值得注意的是,研究人员证明,用他们的方法制造的电池也可以与风能和光伏混合动力系统集成,这进一步提高了电池的可持续性。

钟教授解释说:“电解解耦策略的目的是同时实现锌和二氧化锰电极的氧化还原化学反应。”将MnO2阴极和Zn阳极的工作条件解耦,使酸性MnO2和碱性Zn氧化还原反应在单细胞内同时进行。由此得到的DZMB电池比传统的碱性锌锰电池具有更高的工作电压和更长的循环寿命。”

在未来,钟教授和他的同事提出的新设计策略可以用于生产新的Zn——MnO2电池,这种电池成本低且安全,但同时具有极高的开路电压和更长的循环寿命。值得注意的是,同样的策略也可以用于提高其他锌基水电池的性能,包括那些含有锌——铜和锌——银组合物的电池。

钟教授说:“由于目前的离子选择性膜的成本和性能仍不理想,我们未来的研究将集中在不使用这种膜的解耦设计上。

家用电器、电动玩具、智能化家居用品、家用医疗健康电子仪器、无线安防设备、户外电子设备、无线通讯设备等电子设备制造行业有望迎来新的发展机遇。与之相对应的上游行业——锌锰电池制造业或迎来强劲的市场需求。

锌锰电池是以二氧化锰为正极,锌为负极,氯化铵水溶液为主电解液的原电池。俗称干电池。电池性能符合国家行业标准,与国外电池性能相当。由于能重负载,大电流放电,电容量大,低温性能和防漏性能好,性能价格比高(价为干电池2-3倍,大电流工作电能是6-8倍)等优点而广泛用于民用和工业。

锰基电池因资源储量丰富、成本低廉以及环境友好等优势受到广泛关注。但循环稳定性差等问题一直制约着锰基电池的发展。业——锌锰电池制造业或迎来强劲的市场需求。

前不久,中科院大连化物所开发出了一种基于双电子转移,沉积-溶解型反应的锰基正极电对;并将上述电对应用于中性锌锰液流电池当中,大幅提高了电池的可靠性。该工作为开发新一代二次锰基电池提供了新思路。

该团队提出的锰基电对以Mn(Ac)2作为活性物质,由于Ac-的配位作用,在充电过程中,Mn(Ac)2通过氧化反应以MnO2的形式沉积在电极上,在放电过程中溶解为Mn(Ac)2;与其它锰盐(MnSO4或MnCl2)部分或者全部生成Mn3+的机理完全不同,该反应可以完全避免Mn3+的歧化副反应问题,从而大大提高了电对的稳定性和可逆性。

新型电解锌锰电池商业化

澳大利亚阿德莱德大学(the University of Adelaide)的研究人员与一家中国电池制造商签订了一份价值100万美元(约合701.96万元人民币)的研究合同,将研发新电池技术,并在未来12个月内将该技术推向市场。

该项专利设计会使用无毒的锌和锰金属(在澳大利亚储量丰富),以及不可燃的水电解质以生产高能量密度的电池。研究人员估计,此种新型电解锌锰电池的成本将低于10美元/kWh,相比之下,目前锂离子电池的成本为300美元/kWh,镍铁电池为72美元/kWh,铅酸电池为48美元/ kWh。

研究人员于12月前开始在南澳大利亚进行该项目,在今年年初已经获得该技术的专利。中国电池制造商卓越新能源股份有限公司(Zhuoyue Power New Energy Ltd)承诺投资100万美元以研发该项新技术。目前,该公司生产的电池主要是铅电池。

现在,研究人员将在阿德莱德进行研究工作以及初步的产品开发工作,预计会在澳大利亚和中国两地生产此类电池。研究人员表示,该项目将结合新的电解电池技术以及卓越新能源股份有限公司的电池组装技术。此外,此种电池使用的是最基本的材料和简单的生产工艺,与现有能量密度相当的电池相比,生产成本更低,回收也更容易。

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